核心通識(shí)課“無(wú)處不在的力學(xué)” 的教學(xué)實(shí)踐1)

楚海建 陳立群 張?zhí)镏?/p>

(上海大學(xué)力學(xué)系,上海 200444)

通識(shí)教育(general education) 是人才培養(yǎng)的重要組成部分,具有非職業(yè)性和非專業(yè)性,旨在培養(yǎng)具有健全人格和通達(dá)博見(jiàn)的人[1]。中國(guó)古代教育家墨子將培養(yǎng)“厚乎德行、辨乎言談、博乎道術(shù)” 的“兼士”作為教育的目標(biāo),契合當(dāng)今通識(shí)教育的理念。歐洲的通識(shí)教育可以追溯到古希臘哲學(xué)家亞里士多德倡導(dǎo)的自由教育(liberal education)。現(xiàn)代大學(xué)通識(shí)教育起源于美國(guó),從通識(shí)教育與專業(yè)教育關(guān)系方面看,經(jīng)歷了通為專用、通專平衡、通專融合的三個(gè)階段,其中第三階段強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科交叉、注重知識(shí)融合,以期消除通識(shí)教育與專業(yè)教育的割裂[1-2]。改革開(kāi)放后,國(guó)內(nèi)對(duì)通識(shí)教育的研究取得了長(zhǎng)足進(jìn)步[3-4],并逐漸形成了“德智體美勞”五育并重的育人理念。上海大學(xué)創(chuàng)立之初,老校長(zhǎng)錢(qián)偉長(zhǎng)先生十分注重通識(shí)教育,提出以“培養(yǎng)全面發(fā)展的人”作為人才培養(yǎng)的核心[5-6]。

力學(xué)是人類開(kāi)展自然科學(xué)研究的起點(diǎn),打開(kāi)了人類認(rèn)識(shí)自然、改造自然的大門(mén),在科學(xué)發(fā)展史中具有舉足輕重的作用[7]。力學(xué)與人們的日常生活和工程實(shí)踐密不可分,具有廣泛的基礎(chǔ)性和應(yīng)用性。因此,開(kāi)展力學(xué)通識(shí)教育可以在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)與工程素養(yǎng)方面發(fā)揮關(guān)鍵性作用。國(guó)內(nèi)一些大學(xué)在力學(xué)通識(shí)教育方面進(jìn)行了有益的探索[8-9],如天津大學(xué)在1999年開(kāi)設(shè)“力學(xué)與工程”通識(shí)課,近些年來(lái)北京理工大學(xué)趙穎濤副教授主持開(kāi)設(shè)“力學(xué)概論”、浙江大學(xué)楊衛(wèi)院士主持開(kāi)設(shè)“力學(xué)導(dǎo)論”、北京航空航天大學(xué)劉沛清教授開(kāi)設(shè)“現(xiàn)代大學(xué)概論”等課程,獲得力學(xué)同行的高度評(píng)價(jià)。上海大學(xué)自2018 年起開(kāi)設(shè)40 學(xué)時(shí)的核心通識(shí)課“無(wú)處不在的力學(xué)”,本文以該課程為例,從課程設(shè)計(jì)、教學(xué)實(shí)施和建設(shè)成效三個(gè)方面探討力學(xué)通識(shí)課程的組織與實(shí)施。

1 “無(wú)處不在的力學(xué)” 的課程設(shè)計(jì)

上海大學(xué)核心通識(shí)課為選修課,面向全校本科生包括理工科類、經(jīng)管類、文史類專業(yè)的學(xué)生。因此在課程教學(xué)目標(biāo)的設(shè)定和課程內(nèi)容的組織上完全不同于專業(yè)課程,必須要充分體現(xiàn)“通識(shí)” 特點(diǎn)。

(1) 課程目標(biāo)。經(jīng)過(guò)力學(xué)學(xué)科討論,本課程的教學(xué)目標(biāo)為：普及力學(xué)基本知識(shí)和方法,結(jié)合工程實(shí)踐,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)與工程素養(yǎng)；強(qiáng)調(diào)學(xué)科交叉,拓展學(xué)術(shù)視野,培養(yǎng)學(xué)生以“大工科”的思維分析研究實(shí)際問(wèn)題的能力；弘揚(yáng)力學(xué)科學(xué)家精神,厚植家國(guó)情懷,培養(yǎng)責(zé)任擔(dān)當(dāng)意識(shí)。

(2) 教學(xué)內(nèi)容。圍繞課程目標(biāo),結(jié)合上海大學(xué)力學(xué)學(xué)科特點(diǎn),設(shè)置了入門(mén)篇、自然篇、生活篇、航空航天篇、能源篇、新興科技篇和實(shí)踐篇7 個(gè)教學(xué)模塊,計(jì)17 個(gè)專題。這些專題的設(shè)置,不僅可以從不同角度普及力學(xué)基本概念與方法,還可以展現(xiàn)力學(xué)理論應(yīng)用的廣泛性,拓展學(xué)生的學(xué)術(shù)視野,同時(shí)有利于學(xué)生養(yǎng)成以“大工科”思維分析問(wèn)題的習(xí)慣,契合課程教學(xué)目標(biāo)。

(3) 課程管理。根據(jù)各教學(xué)專題的特點(diǎn),學(xué)科安排具有相關(guān)研究特長(zhǎng)的教師作為專題負(fù)責(zé)人。各專題負(fù)責(zé)人負(fù)責(zé)相應(yīng)專題教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì),也可以邀請(qǐng)團(tuán)隊(duì)成員或校外專家授課。安排陳立群和楚海建擔(dān)任課程負(fù)責(zé)人,在教務(wù)的密切配合下,負(fù)責(zé)管理課程的實(shí)施。從而形成“學(xué)科規(guī)劃、多人授課、專人負(fù)責(zé)” 的通識(shí)課管理模式。

2 “無(wú)處不在的力學(xué)” 的教學(xué)實(shí)施

本課程一般每學(xué)年開(kāi)設(shè)兩次,每次兩個(gè)班。下面從課堂教學(xué)、小組課題研究和課程考核三個(gè)方面介紹具體的教學(xué)實(shí)施。

(1) 課堂教學(xué)方面。課堂教學(xué)以課件為基礎(chǔ),采用“講授式與研討式”相結(jié)合的方式開(kāi)展教學(xué)。講授中注重價(jià)值塑造與知識(shí)能力培養(yǎng)的融合,教師注重發(fā)揮自身特長(zhǎng),將自己的科研成果反哺到教學(xué)中,下面僅舉數(shù)例。

例1 丁虎教授回溯了航天員楊利偉乘坐神舟5號(hào)實(shí)現(xiàn)中國(guó)人載人航天夢(mèng)想時(shí)發(fā)生微振動(dòng)的驚險(xiǎn)過(guò)程,深入淺出地分析了微振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理和隔振減振方法,在傳授航空航天工程微振動(dòng)知識(shí)的同時(shí),激發(fā)了學(xué)生的自豪感和使命感。

例2 張?zhí)镏医淌诜治隽吮诨⒛_和荷葉表面具有特殊功能的微納米結(jié)構(gòu),并從生物表面分層結(jié)構(gòu)引申到人工攀爬手套、微納米機(jī)器人等,既有可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬐评?又有思維的跳躍,從知識(shí)點(diǎn)和方法論兩個(gè)角度啟發(fā)學(xué)生如何開(kāi)展科學(xué)研究,給學(xué)生留下深刻影響。課后有同學(xué)不禁感慨到“大自然是最偉大的力學(xué)家！”

例3 狄勤豐教授講授中東地區(qū)“因油而富、因油而亂” 的歷史和我國(guó)的能源現(xiàn)狀,激發(fā)大家憂患意識(shí)；將自己在石油鉆桿控制方向的科技發(fā)明和科研經(jīng)歷生動(dòng)地展示給同學(xué),如冒著酷暑在塔里木油田解決鉆桿鉆進(jìn)問(wèn)題時(shí)遇到沙塵暴的驚險(xiǎn)經(jīng)歷。狄老師帶著同學(xué)們體驗(yàn)了一把“力學(xué)的熬人與享受”,同時(shí)勉勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)“鐵人” 精神,要到工程第一線,要有責(zé)任擔(dān)當(dāng)。

(2)小組課題研究方面。組織開(kāi)展小組課題研究主要包括四個(gè)環(huán)節(jié)：1○發(fā)布小組課題研究要求,自主選擇研究課題；2○提供小組成員名單,初步確定課題題目；3○檢查課題研究進(jìn)展；4○小組課題答辯。表1 列舉了由學(xué)生自主選擇的部分小組課題。

表1 學(xué)生課題小組自主確定的部分課題

以小組課題“洗澡神器”中的力學(xué)知識(shí)及應(yīng)用為例,說(shuō)明學(xué)生開(kāi)展課題研究的意義?！跋丛枭衿鳌?可用于解決在沒(méi)有熱水器條件下大學(xué)生宿舍如何洗熱水澡的問(wèn)題。該小組課題研究選題新穎、貼近大學(xué)生活,課題小組制作了23 頁(yè)邏輯清晰、內(nèi)容豐富的PPT 報(bào)告,圖1 給出了開(kāi)展文丘里效應(yīng)和虹吸效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的情形。通過(guò)該課題研究,小組成員主要在以下幾個(gè)方面得到提高：1○掌握了與本課題相關(guān)的力學(xué)知識(shí)和相關(guān)實(shí)驗(yàn)技能；2○自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和開(kāi)展實(shí)驗(yàn),培養(yǎng)了創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力；3○自主選題、自主制定研究計(jì)劃和自主開(kāi)展研究,提升了學(xué)生開(kāi)展學(xué)術(shù)研究的綜合能力；4○研究小組合作分工,培養(yǎng)了團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。

圖1 小組課題研究報(bào)告PPT 示例

該課題小組成員為3 位來(lái)自經(jīng)濟(jì)學(xué)院大二的女生,采用十分簡(jiǎn)易的器材(打氣筒、三通管、水盆等)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)力學(xué)原理的驗(yàn)證性試驗(yàn),提出通過(guò)在水管上加裝限流器等措施改進(jìn)洗澡神器的建議,同時(shí)還對(duì)這兩個(gè)原理在水族館水循環(huán)系統(tǒng)、文丘里測(cè)速計(jì)、虹吸式馬桶、體育場(chǎng)館排水系統(tǒng)等的應(yīng)用進(jìn)行了延伸調(diào)研,答辯過(guò)程給人留下深刻印象。該小組的研究表明,力學(xué)通識(shí)教育不僅可以面向理工科學(xué)生,也可以面向文科類學(xué)生。

(3)課程考核方面。注重過(guò)程考核和考試考核相結(jié)合,課程考核由三部分組成,即平時(shí)表現(xiàn)(20%)、小組課題研究(30%) 和期末考試(50%)。考試題型以判斷題、填空題和論述題為主,注重對(duì)基本概念和能力考查,論述題設(shè)置開(kāi)放性問(wèn)題,如“上海大學(xué)本部與東校區(qū)為南陳路所隔,為方便師生通行,請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一座天橋連接兩校區(qū),并論述需要考慮哪些力學(xué)問(wèn)題？” 等。

3 “無(wú)處不在的力學(xué)” 的建設(shè)成效

經(jīng)過(guò)多輪教學(xué)實(shí)踐,逐漸形成了如下課程特色。

(1) 探索形成了“學(xué)科規(guī)劃、多人授課、專人負(fù)責(zé)”的通識(shí)課程管理模式。依據(jù)學(xué)科特色,探索多人授課發(fā)揮各自專長(zhǎng)的可行性,并施行專題教學(xué)專人負(fù)責(zé)和教學(xué)管理專人負(fù)責(zé),有力地保障了課程教學(xué)的順利進(jìn)行和課程開(kāi)設(shè)的可持續(xù)性。

(2)形成了“價(jià)值引領(lǐng)、知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)”相互融合的課程教學(xué)理念。以力學(xué)與自然、生活、工程的緊密聯(lián)系為主要抓手,傳授力學(xué)基本知識(shí)和方法,培養(yǎng)學(xué)生的提煉、分析和解決問(wèn)題的能力；通過(guò)一批既具有思政功能又具有代表性的重大工程案例,將價(jià)值塑造與知識(shí)能力培養(yǎng)融于一體。

(3) 建立了“講授式教學(xué)、研討式教學(xué)、研究型教學(xué)” 相結(jié)合的多元教學(xué)模式。講授式教學(xué)中側(cè)重力學(xué)知識(shí)和方法的傳授,研討式教學(xué)中注重發(fā)散性思維的培養(yǎng),而在研究型教學(xué)中,通過(guò)課外開(kāi)展小組課題研究,提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

課程開(kāi)設(shè)擴(kuò)大了力學(xué)學(xué)科在學(xué)生中的影響,受到學(xué)生好評(píng)。有學(xué)生寫(xiě)到“如果有人問(wèn)的話,我會(huì)毫不猶豫地推薦這門(mén)課,所學(xué)都很‘硬核’,更與‘水’課無(wú)關(guān)。每一次課的收獲都很大,仿佛眼前又打開(kāi)了一扇新的門(mén)?！?/p>

4 總結(jié)

力學(xué)通識(shí)教育對(duì)提高大學(xué)生的科學(xué)與工程素養(yǎng)具有重要作用,同時(shí)還有利于擴(kuò)大力學(xué)學(xué)科在學(xué)生中的影響。課程開(kāi)設(shè)5 輪以來(lái),學(xué)生選課踴躍,累計(jì)達(dá)700 余人。選修學(xué)生來(lái)自全校不同的專業(yè)學(xué)院,占比相對(duì)較高的有機(jī)自學(xué)院(18.1%)、計(jì)算機(jī)學(xué)院(17.7%)、通信學(xué)院(15.2%)、社區(qū)學(xué)院(10.6%,專業(yè)未定)、經(jīng)濟(jì)學(xué)院(8.2%)、管理學(xué)院(7.1%)、理學(xué)院(5.6%) 等。廣泛的專業(yè)分布一方面體現(xiàn)了同學(xué)們對(duì)本門(mén)課程的期待,也體現(xiàn)了廣大同學(xué)對(duì)課程設(shè)置與教學(xué)效果的認(rèn)可。

在力學(xué)學(xué)科的大力支持和教學(xué)團(tuán)隊(duì)的精心組織下,核心通識(shí)課“無(wú)處不在的力學(xué)” 在課程管理、課程理念和教學(xué)方法上形成了鮮明的課程特色。其中,以小組研究為主要著力點(diǎn)的研究型教學(xué)方式對(duì)提高學(xué)生的參與度、成就感和培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、團(tuán)隊(duì)精神等具有重要作用,值得不斷加以完善。

課程在實(shí)施過(guò)程中也遇到了需要改進(jìn)的地方。比如,多人授課往往因教師出差等原因調(diào)課,從而影響課程內(nèi)容講授的系統(tǒng)性。再如,面對(duì)不同教師講解多專題的切換,部分學(xué)生難以及時(shí)適應(yīng)。這些將在今后的教學(xué)中,從教學(xué)管理和教學(xué)內(nèi)容銜接等方面不斷加以克服或改進(jìn)。

致謝感謝所有參與本門(mén)課程建設(shè)的老師,包括郭興明、周全、狄勤豐、陳紅勛、丁虎、張能輝、張東升、代欽、郭戰(zhàn)勝、盧東強(qiáng)、胡國(guó)輝、陳然、丁玨、王志亮、李凱、王伯福、楊小權(quán)、魏莎、宋亦誠(chéng)、宋麗芬等。